中美規范溝道設計對比

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

1 概述

目前國家推進“一帶一路”建設暨國際產能和裝備制造合作，要求央企緊密結合“一帶一路”建設積極推動國際產能合作，促進形成優進優出格局和新一輪高水平對外開放。華北電力設計院有限公司緊跟國家“一帶一路”建設和國際產能合作戰略導向，積極踐行國際優先戰略，牢牢把握發展機遇，持續鞏固和拓展國際戰略布局，堅持國際業務多元化發展，實現了國際業務的持續健康發展，隨著國際項目的增加，設計也跟國際接軌，越來越多地采用美標、歐標等，沙特吉贊JIGCC取排水口項目就采用了美標進行設計。

沙特吉贊JIGCC取排水口項目是阿美石油公司為吉贊經濟城的大型發電廠所招標的取排水口的項目，位于吉贊海邊。JIGCC海水系統設計海水供應能力為501000 m3/h，用于供應電廠和煉化廠，使用新建人工湖用于儲存供水并最終將水排到大海，并使用了次氯酸鈉加藥系統用于防止生物污染。該項目的合同類型為集詳細設計、材料采購和施工于一體的總價交鑰匙合同，華北院承擔了包括取水水道(Intake Canal)、重載道路跨越橋(Heavy Haul Bridge)、取水格柵系統(Inlet Screens)、取水泵站(Inlet Pumpstation)、取水渠及溢流槽(Intake Channel and Bypass Channel)、 蓄 水湖 (Inplant Lagoon)、集水池(Collection Basin)、排水溝渠及雨水溝(Discharge channel and Stormwater conveyance system)、出水口結構(Outfall Tank and Structure)等。項目中溝道較多，下面將以取水渠(Intake Channel)的一個典型斷面為例，對比國標和美標條件下的溝道設計。

圖1 取水渠(Intake Channel)斷面示意圖

圖1是取水渠(Intake Channel)的一個斷面示意圖，溝道側壁及中間隔墻高度4.75 m，壁厚400mm，最大填土高度3.75 m，最大內水深度4.696 m，底板厚度0.6 m，長度23.2 m。

2 混凝土及鋼筋

2.1 混凝土

取水渠采用的混凝土強度等級為5000 psi(約 35 MPa，1 psi=6.894757 kPa)，這是根據沙特阿美公司工程標準技術規范SAESQ－001選取的，沙特規范基本上是引用美標，在實際的計算過程中都是按美標的規定進行計算。不同于國標中按立方體抗壓強度標準值確定混凝土強度等級，美標中混凝土強度采用的是圓柱體抗壓強度，這里混凝土強度等級5000 psi混凝土基本對應現行國家標準《混凝土結構設計規范》 GB 50010中的C40混凝土。除5000 psi外，混凝土美標中經常用到的混凝土強度等級還有3000 psi、4000 psi、6000 psi，分別相當于國標中強度等級為C25、C35、C50的混凝土。

表1 美標和國標中混凝土強度等級對應關系及抗壓強度設計值

取水渠所處的環境為海岸環境，內壁接觸海水，如果按現行國家標準《混凝土結構設計規范》 GB 50010，環境類別按表3.5.2 混凝土結構的來分類，環境等級應為三b或四，按表3.5.3結構混凝土材料的耐久性基本要求，環境等級應為三b時混凝土的最低強度等級為C40。

取水渠的內壁均采用了海水涂層，外壁不與地下水接觸，采用土體涂層。國內對類似的處于三類環境中的混凝土結構構件，也規定了采用涂層等增強耐久性的防護措施；耐久性環境類別為四類和五類的，耐久性要求還應符合相關標準的規定，海水環境可參考現行國家標準《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T 50476，四類環境可參考現行行業標準《港口工程混凝土結構設計規范》 JTJ 267，五類環境可參考現行國家標準《工業建筑防腐蝕設計規范》。

2.2 鋼筋

取水渠采用鋼筋級別為60級的鋼筋，鋼筋強度為fy=420 MPa(60000 psi)，與現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB 50010中的HRB400級鋼筋的屈服強度標準值(fyk=400 MPa)接近，但國標配筋計算中鋼筋強度用的是設計值，HRB400級鋼筋的抗拉強度設計值為fy=360 MPa，鋼筋的強度設計值為強度標準值除以材料分項系數γs，除高強度500 MPa級鋼筋γs取1.15外，其他延性較好的熱軋鋼筋γs取1.10，美標配筋計算中直接取屈服強度標準值而不需要除以材料分項系數。美標中除60級鋼筋外，還有級別為40級、75級、80級的鋼筋，其鋼筋強度分別為40000 psi(280 MPa)、75000 psi(520 MPa)、80000 psi(550 MPa)。

國內鋼筋的公稱直徑(單位mm)有6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、50等， 而 在 美 標 ASTM A615/A615M－2013中主要有10、13、16、19、22、25、29、32、36、43、57號鋼筋，對應的公稱直徑(單位mm)分別為9.5、12.7、15.9、19.1、22.2、25.4、28.7、32.3、35.8、43.0、57.3。 在做國外項目時，應根據施工現場的材料采購溝通，確定可以采購到的鋼筋直徑，因為國外的情況與國內不同，很可能有些直徑的鋼筋采購不到，而且公稱直徑與國內不同，也有可能與美標的標準直徑不同，沙特項目中用到的鋼筋與國內類似，但有些直徑的沒有。及時良好的溝通能避免不必要的時間消耗，節省設計人員的時間和精力，加快出圖進度。

在沙特項目中，鋼筋采用的是環氧樹脂涂層鋼筋，需要注意的是，訂購鋼筋后，需要監理在加工現場確認對應采購鋼筋的加工是合格的，方可進場使用，如果后面對鋼筋的需求情況有變化，這些鋼筋將不能直接用于其他項目，因此在鋼筋大量采購后如果圖紙有升版，最好不要改變所用鋼筋的直徑，盡量調整間距，以免造成浪費。

國內項目中，對處在三類環境中的混凝土構件，也需采用環氧樹脂涂層鋼筋、其他具有耐腐蝕性能的鋼筋、阻銹劑、采取陰極保護措施或采用可更換的構件等措施以滿足耐久性技術要求。

由于取水渠與海水接觸，根據沙特阿美公司工程標準技術規范SAES－Q－001，鋼筋的最小保護層厚度為75mm。現行國家標準《混凝土結構設計規范》 GB 50010中的表8.2.1 混凝土保護層的最小厚度c (mm)中，環境等級三b時保護層最小厚度為40mm(板、墻/殼)。美標對鋼筋的最小保護層厚度的要求更高，在美標規范下設計時應注意。

3 設計荷載

3.1 設計荷載類型

在取水渠的結構計算中，考慮的荷載包括結構自重(后面荷載組合中用D表示)、水壓力(F)、土壓力(H)、地面堆積活荷載(L)、地震動荷載(E)。

除了地震動荷載外，結構自重計算、水壓力計算、土壓力計算等要根據材料的類型和參數進行計算，這與國內的設計是一樣的。下面以側壁為例，列出側壁的部分荷載計算結果。

地震動荷載包括側壁的慣性力、水的沖擊荷載、水的對流荷載、動土壓力、豎向動水壓力，這些荷載簡化為集中荷載加在側壁上。對于國內的地下溝道計算，一般不考慮地震動荷載作用。

側壁的慣性力計算主要依據ACI 350.3－06的公式4-1a計算：

圖2 水壓力

圖3 土壓力

圖4 地面堆積活荷載

P'W施加位置距離池底的高度為0.5倍的側壁高度。

水的沖擊荷載主要依據ACI 350.3－06 的公式4-3計算：

但上式計算出來的水的沖擊荷載是整個水池的沖擊荷載，對每側的側壁應按1/2Pi施加。Pi施加位置距離池底的高度按ACI 350.3－06的公式9-3及9-4計算。

圖5 側壁的慣性力

圖6 沖擊荷載

水的對流荷載主要依據ACI 350.3－06 的公式4-4計算：

但式(3)計算出來的水的沖擊荷載是整個水池的對流荷載，對每側的側壁應按1/2Pc施加。Pc施加位置距離池底的高度按ACI 350.3－06的公式9-5計算。

圖7 對流荷載

豎向地震產生的動水荷載按ACI 350.3－06的公式4-14計算：

計算得到的動水荷載(等效靜荷載)為9.518 kN/m，距離池底的高度為1/3的水深，即1.565 m。

動土壓力按Mononobe－Okabe法計算：

其中PA為主動土壓力：

地震產生的動土壓力計算結果(等效靜荷載)為PE=10.278 kN/m，距離池底的高度為0.6倍的填土高度(2.25 m)，對側壁的彎矩為23.125 kN·m/m。而主動土壓力的計算合力為為Pa=40.513 kN/m，距離池底的高度為1/3的填土高度(1.25 m)，對側壁的彎矩為50.641 kN·m/m。動土壓力的彎矩與主動土壓力對側壁的彎矩比值為0.457。

上面計算的各地震動荷載應按SRSS組合，計算出總的地震動荷載，包括合力和彎矩。

3.2 荷載組合

在取水渠的結構計算中，美標中考慮的荷載組合見表2。

表2 美標中考慮的荷載組合

而按國標設計時，對側壁的結構計算，一般對外側配筋按有土無水工況，將土壓力按恒載取1.35的系數，地面堆積活荷載按活荷載取1.4的系數進行組合，對于內側配筋，水壓力按恒載取1.35的系數進行計算。

對于底板計算，國內一般按池壁處作為支點的連續梁進行計算，而在沙特項目中是不被接受的，在計算中可以用MIDAS等國際上認可的軟件模擬計算，得出最大彎矩和剪力值，然后進行配筋計算。

3.3 穩定安全驗算

與國內項目類似，美標中也要求進行結構的穩定安全驗算，包括抗滑、抗傾覆、抗浮驗算等，但安全系數的要求不同，如抗滑移安全系數國內要求1.3，在沙特項目中為1.33；抗傾覆安全系數國內要求1.6，在沙特項目中為1.5。

4 配筋計算

4.1 正截面配筋計算

在按國標進行配筋計算時，對于承載能力極限狀態，采用的設計表達式是γ0Sd≤Rd，其中γ0是結構重要性系數，對不同的安全等級取值不同。而在美標中，設計時采用的是折減系數φ，正截面受彎計算中受拉鋼筋φ=0.9，在抗剪計算中取φ=0.75。

在按美標計算配筋時，首先根據平衡方程求解初步的配筋面積：

初選鋼筋，并應使配筋面積應滿足ACI 350M－06中10.5.1章節中規定的最小配筋率要求。然后驗算截面承載力，根據下面公式計算鋼筋應力：

按選取的鋼筋直徑和間距，根據ACI 350M－06中公式10-5計算鋼筋允許的最大應力，若大于上面算出的鋼筋應力，則進一步驗算鋼筋間距，按ACI 350M－06中公式10-7計算鋼筋最大間距。這與國標按裂縫控制鋼筋有所不同。

4.2 配筋結果對比

按美標計算出的取水渠側壁內側配筋為直徑20的鋼筋，間距110mm，而用理正結構設計工具箱軟件 7.0PB3 計算時，若采用相同的配筋，最大裂縫0.318mm，大于0.200mm的限值，若按裂縫控制鋼筋，配筋為直徑20的鋼筋時，間距77mm，配筋面積大于美標算出的結果。但實際上，這是按裂縫控制鋼筋的配筋結果，若只看按平衡方程算出的配筋面積，國標算出的配筋面積是2259mm2，美標算出的配筋面積是2195mm2，還是比較接近的。

按美標計算出的取水渠側壁內側配筋為直徑14的鋼筋，間距110mm，而用理正結構設計工具箱軟件 7.0PB3 計算時，若采用相同的配筋，最大裂縫0.127mm，滿足要求。若只看按平衡方程算出的配筋面積，國標算出的配筋面積是1202mm2，美標算出的配筋面積是1314mm2，也是比較接近的。

5 國外工程設計經驗總結

在沙特吉贊JIGCC取排水口項目的設計中，業主方要求提供的不僅有施工圖，還有詳細規范的計算書。在國內按國標設計時，計算書是不需要提交業主和設計監理審查的，但在沙特項目中，計算書跟圖紙需要同時提交審查，且對計算書要求很高，如計算中采用的公式需要列出引用的規范條款，計算采用的軟件必須是國際上認可的軟件。施工圖及計算書一般要多次提交審查，如第一次提交審查(ISSUED FOR REVIEW)、第二次提交審查(ISSUED FOR SECOND CHECK)等，每次都會提出修改意見，需要設計人員與評審人員溝通閉合意見。當回復閉合意見后才能出下一階段版本，直至最后意見閉合才可以出版作為施工依據的施工圖(ISSUED FOR CONSTRUCTION)。后續過程中，若施工監理和業主提出合理的修改意見，圖紙還需要進一步升版。

相比國內工程設計而言，國際工程施工圖修改過程要繁瑣很多，耗時較長。沙特工程施工圖要求準確、詳細，比如需要將伸縮縫和施工縫的位置詳細表示在圖紙中，配筋細節要考慮伸縮縫和施工縫的影響等。這是因為現場的施工監理對施工過程的監督相比國內嚴格很多，如果圖紙上沒有表述非常清楚詳細，施工監理往往不允許施工。因此在伸縮縫和施工縫的位置設計時，可綜合考慮現場采購的鋼筋的規格、長度等，通過優化各種結構縫的位置，減少截斷鋼筋的浪費。沙特項目中取水渠的長度長達1600多米，節省的鋼筋量是很可觀的。